王波隆 张浩浩 王飞
摘 要：车架作为汽车的安装基体，既要承受着自身重力的作用，还要承受来自路面的冲击力。由于车架受力情况复杂多变，因此需要有较高的强度和刚度来应对不同情况，本文以本田节能竞技电动组别赛车为例，介绍了车架轻量化设计及利用ANSYS对节能车车架进行多种工况的分析，并跟据分析结果对设计进行合理的优化。
关键词：轻量化;车架强度;刚度 ;优化
中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）03-0143-05
frame Design and Optimization of Honda Energy Saving Competitive Electric Racing Car
WANG Bo-long1，2， ZHANG Hao-hao 1，2， WANG Fei1
（ 1.School of mechanical engineering， Anyang Institute of Technology;
2.Xuanniao motorcade of Anyang Institute of Technology， Anyang 45500， China ）
Abstract： As the installation base of the car， the frame should bear not only its own gravity， but also the impact from the road. Therefore， the stress situation is complex and changeable， because the frame needs to have higher strength and stiffness to deal with different situations， this paper takes the Honda energy-saving competitive electric racing car as an example， introduces the lightweight design of the frame and uses ANSYS to analyze various working conditions of the energy-saving car frame， and according to the analysis results， carries on the reasonable optimization of the design.
Key Words： Lightweight; frame Strength; Rigidity; Optimization
王波隆
现就读于安阳工学院机械工程学院，研究方向为汽车轻量化。
引 言
随着汽车产业的快速发展，汽车拥有量在不断增加，但是传统燃油汽车在带给人们方便的同时也不可避免带来环境污染和巨大能源消耗，因此大力发展新能源汽车，提高汽车的环保性能成为主流，提高汽车环保性能其中一个有效的途径就是实现汽车的轻量化[1]。在实现轻量化的过程中利用ANSYS对所设计结构进行分析及优化，是现代汽车设计的重要方法，它不仅降低研发成本、缩短周期，而且对实际生产过程具有指导意义。
本田中国节能竞技大赛旨在用最少的能源让汽车行驶最远的距离，在比赛过程中动力能源由赛事组委会统一提供，底盘、车身和电控系统由车队自行准备。因此车辆的轻量化和低风阻外形设计一直是各车队关注的重点。我们在研究轻量化的过程中，以2018年我校参赛车为原型，改进设计流程，优化车架结构。流程改进如下：首先确定设计要求和车架材料，在CATIA中设计出第一代结构，然后根据赛道有1.5km直线赛道和半径为10m的连续转弯赛道，确定车辆需要分析的工况，导入ANSYS中进行工况的模拟分析，得出位移、应力值、安全系数，与设计要求对比，优化不足部分，设计出第二代结构，重复分析过程直至满足设计要求。
1 车架设计要求
1.1 安全系数
σs是材料的屈服极限，σmax是不同工况下，车架承受载荷之后的最大抗弯结构应力值。当n≥3时说明车架强度符合要求，否则，车架强度不符合要求，會因强度不足而遭到破坏。
1.2 位移
F为载荷，L为车架长度，I为集合惯性，E弹性系数，为保持车辆的操纵稳定性，车架的最大位移需小于1.2mm，即车架具有一定刚度。
1.3 要求经过有限元分析和优化之后车架减重20%。
2 车架材料
该节能赛车为单人驾驶，具有一定的竞技性，要求车架应具有较高强度和刚度。因此本设计选用6061铝合金方管，该种牌号铝合金具有容易焊接、不易变形、强度高等优点[2]。车架材料参数如表1：
3 车架结构
3.1 整体结构
在设计过程中遵循人机工程学[3]，由于水滴型低风阻外壳的要求，需尽量降低外壳高度，减小迎风面积，外壳影响车架设计，因此车架结构需满足车手平躺式驾驶，车架长度根据车手身高1600mm来确定。
3.2 底盘系统设计
（1）行驶系统：由于外壳采用水滴型设计，车轮布置形式为前二后一，为减小行驶阻力车轮采用14inch光头辐条式轮胎。
（2）转向系统：采用下沉式横拉杆转向，该种方式转向优点为，转向结构简单易于布置，符合人机工程学且节省驾驶空间。
（3）制动系统：前后碟刹，由于该车在比赛过程中速度较低，采用普通山地自行车手动刹车片可满足要求。
（4）传动系统：该车为后轮电机驱动，电机位置与驱动轮在行使过程中会发生左右偏摆，电机输出扭矩较小，因此采用链条式传动。该传动方式有可靠性好、运行阻力小、安装方便等优点。
综合以上情况，赛车装配图和车架结构图如图1、图2所示：
车架长1700mm，宽290mm，高260mm，各部分梁规格如表2：
4 有限元分析
4.1 分析内容
根据赛道安排需对车辆有三种工况分析[4]：弯曲工況、转弯工况、制动工况，得出的分析结果为车架各梁的位移及应力值。赛场道路为比赛级，路面情况较好，车辆在行驶过程中产生的路面激励可以忽略。
4.2 弯曲工况分析
（1）将设计完成的模型导入软件中，进行网格划分，网格划分单位为5mm，划分结果如图3所示：
（2）根据装配位置和约束关系，载荷施加分为均布载荷和集中载荷[5]。车手质量、车壳质量和车架自重、电机电池均以布载荷形式施加，后轮质量和前轮质量以集中载荷形式施加，根据各安装位置施加于合适节点处。
表3为车辆各零部件质量，图4为软件模拟施加载荷情况：
根据模型简化法则，将前后车轮都看作是与车架梁的刚性约束，约束Z方向上的旋转自由度，进行车架分析，分析结果如图5、图6所示：
梁1、2车手座椅处有较大位移，为3.739mm，位于梁16、21与梁1、2焊接处有最大应力为67.6MPa。
4.3 转弯工况分析
（1）根据赛规可知赛车平均速度必须达到25km/h以上，赛道转弯半径为10m，行驶过程中会受到较大侧向载荷。该种工况下的载荷计算公式如式3、4：
（2）在转弯的过程中梁7、8还会受到通过转向系统施加的横向力，通过实验测得在转弯时需要对这两个梁分别施加至少60N的力。综上所述，以右转为例，正确施加载荷 ，施加完毕后，分析结果如图7、图8所示，车架最大位移为4.266mm，最大应力值为75.3MPa。由分析结果可知在转弯工况中由于侧向载荷的影响车架位移出现较大变化，最大应力值位置与弯曲工况相同。
4.4 制动工况分析
车辆在制动过程中梁，会承受较大的横向载荷，因此需要分析梁5、7、19、21的横向稳定性，该赛车采用的是前后碟刹，由实验测得通过刹车装置释放的横向载荷至少135N，才能将车辆停止。综上所述，正确施加载荷，施加完载荷后对车架进行分析，结果如图9、图10所示，得到最大位移为3.966mm，最大应力值为70.1MPa。
4.5 分析对比
根据不同工况的对比来看，在转弯工况中车架的位移和应力值相较于其他两工况会有显著的增加，出现较大位移的原因由公式三可知，位移与车架长度的三次方成正比，车架采用1700mm 铝合金管会对造成较大影响，因此下一步的优化方向为缩短梁1、2的长度。从这两根梁的整体受力情况来看，前端位移和应力值较小，又考虑到实际驾驶过程中车壳可代替前端车架，放置车手的腿部，只需留下转向杆安装的长度;另外车手背部电机的安装空间可以缩小，以缩短地面纵梁的长度。
最大应力位于在后轮安装梁与车架地面纵梁焊接处，由于单独为后轮安装设计六根梁，这六根梁采用焊接竖管的方式与地面纵梁连接，在连接处易出现应力集中现象。因此优化方向为替换竖管，改用直管和斜管进行焊接，一方面可以缩短地面纵梁，另一方面可以避免应力集中。
从三种工况车架整体受力情况来看，前轮安装梁位移和应力值较小，可将稳定横梁6，改为三角支撑小管稳定。
综上所述，车架可以从以下四个方面优化：①缩小电机的安装空间;②是缩短地面纵梁前端长度，车手腿部支撑由车壳代替;③取消后轮安装梁，改用焊接直管和斜管;④取消前轮转向横梁，改用小管稳定。
5 车架优化方案
对优化后车架进行三种工况分析，载荷施加方式不变，优化后只展示出变形量最大的工况，优化后的车架转弯工况分析结果如图12、图13：
将优化前后的车架分析数据做成图表，从表5、图14、图15中看出优化后的车架性能的提升，1代表弯曲工况，2代表制动工况，3代表转弯工况。
由图表可知，优化结构后的车架最大位移显著减小，幅度将近70%，并且随着工况的不同，受力的增加，车架最大位移的变化幅度降低，伴随着位移的变化最大应力值也在相应的减小。优化后的车架在重量方面减少1.16kg，减重23.2%，车架强度和刚度有显著的增加。
6 结语
本文以节能赛车为例，研究车辆的轻量化，在研究过程中采用有限元分析，正确施加载荷和合理的工况分析，还需考虑到实地行驶过程所遇到的问题，根据分析结果设计出车架优化方案，经过优化车架最大位移由4.2mm减小为1.06mm，车架质量由5kg减小为3.85kg，减重23.2%，达到了轻量化的设计要求，为节能车的实际制作提供了指导，对汽车以及一些机械结构的轻量化设计有一定参考意义。
参考文献：
[1]韩维建.汽车材料及轻量化趋势.机械工业出版社[M].2017.
[2]赵岩.节能竞技车的研发与技术研究[D].西安.长安大学.2009.
[3]黄建兵.人机工程学在工程机械驾驶室布置设计的应用研究[D].长春.吉林大学.2004.
[4]杜灿谊，秦太兴，梁宇文等.节能赛车的车架设计与分析[D].广州技术师范学院.2017.
[5]叶先磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].清华大学出版社.2003.
